ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Л.Т. Рязанцева

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ:

ИСТОЧНИКИ И ПОСЛЕДСТВИЯ

Учебное пособие

Воронеж 2010

УДК 574 (075.8)

Рязанцева Л.Т. Загрязнение окружающей среды: источники и последствия: учеб. пособие / Л.Т. Рязанцева. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. – 184 с.

В учебном пособии проблемы загрязнения окружающей среды рассматриваются на фоне описания природных геохимических и биогеохимических процессов. Охарактеризованы главные загрязняющие вещества, пути их поступления в окружающую среду и поведение в ней. Кроме токсического загрязнения, рассматриваются радиационное загрязнение и последствия загрязнения атмосферы: кислотные дожди, разрушение озонового слоя и парниковый эффект.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 280100 «Безопасность жизнедеятельности», специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», дисциплине «Экспертиза проектов». Предназначено для студентов очной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле «ЗагрязненииеОС.doc».

Табл. 46. Ил. 8. Библиогр.: 31 назв.

Рецензенты: кафедра медико-биологических дисциплин Воронежского государственного института физической культуры (и. о. зав. кафедрой доктор биол. наук, проф. Н.Н. Попова);

канд. биол. наук, доц. Т.В. Овчинникова

 Рязанцева Л.Т., 2010

 Оформление. ГОУВПО

«Воронежский государственный технический университет», 2010

Введение

Химическое загрязнение является нарастающей угрозой среде обитания.

Охрана природы от нависшей над ней химической опасности стала глобальной проблемой. Она связана с производительными силами общества: с развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, энергетики, транспорта, добычей полезных ископаемых. Все это ведет к поступлению в воздух, воду, почву сотен тысяч токсичных соединений, проникновению их в организм растений, животных и человека. Повсеместное применение различных химических веществ в быту, в сфере научных исследований также способствует нарастанию химико-экологической опасности. В продаже сейчас около 40000 различных химикатов и ежегодно к ним добавляется сотня других.

Масштабы техногенного химического загрязнения природной среды не поддаются точной оценке, однако приводимые в литературе данные свидетельствуют о дорогой цене, которую приходится платить человеку за успехи, достигнутые в ходе научно-технического прогресса. Так, за один год на Земле сжигается 7 миллиардов тонн условного топлива и выплавляется более 800 миллионов тонн различных металлов, что сопровождается выделением в окружающую среду сотен миллионов тонн вредных веществ. По данным В.А. Ковды, в биосферу уже с середины семидесятых годов ежегодно поступало 600 миллионов тонн токсичных газообразных веществ, в том числе оксида углерода (II) - 200 миллионов тонн, сернистого газа – 150 миллионов тонн, несколько миллиардов тонн различных аэрозолей, 5500 миллиардов кубических метров сточных вод.

1. Загрязняющие вещества: понятие и классификация

Любая деятельность любой системы, направленная на поддержание организованности внутри нее, вызывает снижение организованности вне системы. Системы существуют за счет экспорта энтропии вовне. Для неравновесной динамической системы, каковыми являются все биологические системы, существовать, не нарушая ничего в мире, невозможно. Это относится и к любому живому организму, и к надорганизменному образованию, и к человеческому обществу. Необходимо различать нарушения окружающей среды, производимые человеком как биологическим объектом, и нарушения окружающей среды, производимые человеком, как частью созданной им техносферы.

Прежде чем говорить о загрязнении, следует определиться с тем, что мы будем понимать под этим словом. Интуитивно каждый понимает – что такое загрязнение, но когда речь заходит о том, чтобы дать четкое его определение, мы сталкиваемся с множеством формулировок. Несколько примеров:

«Любые изменения воздуха, вод, почв или пищевых продуктов, оказывающие нежелательное воздействие на здоровье, выживаемость или деятельность человека, называются загрязнением» (Миллер, 1993).	На первое место вынесено нежелательное воздействие на человека
«Загрязнением называют поступление в окружающую среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем» (Коробкин, 2000).	На первое место вынесен вред для человека и экосистем
«Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ» (Рамад, 1981).	Изменение, являющееся результатом человеческой деятельности
«Привнесение в какую-либо среду новых не характерных для нее в рассматриваемое время неблагоприятных физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением» (Сытник, 1987)	Неблагоприятность для среды

Наиболее приемлемым остается, все-таки, давно известное человечеству понимание того, что «загрязнение – все то, что не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из состояния равновесия, отличается от обычно наблюдаемой нормы и/или желательного для человека» (Реймерс, 1998).

Создано множество классификаций загрязнений:

1) По объектам: загрязнение вод (поверхностных и подземных), загрязнение атмосферы, загрязнение почв, загрязнение космического пространства и т. п.

2) По масштабам: локальное, региональное, глобальное.

3) По природе действующих факторов: физическое, химическое, биологическое (рис. 1).

4) По характеру воздействия на объекты окружающей среды (табл. 1).

Большинство загрязнителей – химические вещества, возникающие в качестве побочных продуктов или отходов добычи, переработки и использовании ресурсов. Имея в виду то, что предметом нашего изучения является именно «Химия окружающей среды», мы в первую очередь и наиболее подробно остановимся на химических загрязнениях.

В настоящее время в повседневном использовании в мире применяется около 80 000 синтетических веществ. В ходе промышленного и сельскохозяйственного производства образуется порядка 100 000 веществ. Так или иначе, все эти вещества попадают в окружающую среду. Для того чтобы можно было охватить все многообразие загрязняющих химических агентов в среде, нам необходима классификация.

Рис. 1. Классификация загрязнений по природе действующего агента (Коробкин, 2000)

Загрязнители чрезвычайно разнообразны и, по самому определению, один источник загрязнения может давать большое число загрязнителей. Можно различать несколько разных типов загрязнителей, хотя это деление достаточно условно и многие загрязнители могут быть отнесены к нескольким типам.

Разложимые биологически вещества – те, которые подвергаются атаке микроорганизмов, ведущей к их деградации и удалению. Обычно это – отходы жизнедеятельности организмов и включают наиболее распространенные загрязнители: хозяйственно-бытовые стоки. Сюда же можно отнести стоки сельского хозяйства и пищевой промышленности. Поскольку эти вещества являются подходящим субстратом для микробной активности, биоразложимые вещества остаются в активном состоянии до тех пор, пока они не захораниваются достаточно глубоко в осадки или не разлагаются полностью.

Таблица 1 Классификация загрязнения среды по характеру воздействия (Коробкин, 2000)	ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ	СТАЦИАЛЬНО-ДЕСТРУКЦИОННОЕ (преобразования ландшафтов)	Вырубка лесных насаждений	Регулирование водотоков Карьерная разработка ископаемых Дорожное строительство Эрозия почв Осушение земель Урбанизация Лесные и степные пожпры
		БИОЦЕНОТИЧЕСКОЕ (нарушение в составе и структуре популяций и сообществ)	Комплексный фактор беспокойства	Перепромысел
				Сбор, отлов, отстрел, браконьерство
				Интродукция и аклиматизация видов
		ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ (изменение качественных параметров окружающей среды)	Электро- магнитное	Тепловое Шумовое Световое Радтационное
		ИНГРЕДИЕНТНОЕ (совокупность веществ, чужеродных естественным биоценозам)	Минеральное Органическое	Бытовые стоки и мусор Микробиологические препараты Отходы пищевой промышленности Отходы животноводческих ферм	Прочие
				Продукты сгорания в ДВС Ядохимикаты и удобрения Аварийные сбросы в акваториях Нефтедобыча и нефте-переработка
				Продукты сгорания ископаемого топлива Отходы химических производств Шахтные отвалы и терриконы Отходы металлургии	Прочие

Биологически неразложимые вещества не изменяются под действием микроорганизмов. Инертные загрязнители, такие как твердые частицы, тяжелые металлы, многие синтетические органические вещества сохраняются в окружающей среде в неизменной форме, несмотря на то, что они могут растворяться или транспортироваться.

Химически разложимые вещества, такие как, например, кислоты, уничтожаются в ходе химических реакций в окружающей среде.

Факторами, определяющими тяжесть воздействия загрязняющих веществ, являются:

1) их биологическая активность (сила токсического или другого воздействия на биоту);

2) концентрация;

3) время жизни в среде или устойчивость.

Одна из причин, по которым отвергли определение загрязнения как «связанного с человеческой деятельностью» – то, что загрязнители попадают в окружающую среду не только в результате деятельности человека, но и «естественным путем». Отходы деятельности любой системы являются загрязнителями для остальных. Но в процессе эволюции биосферы возникли механизмы утилизации этих загрязнений и теперь продукты жизнедеятельности одних подсистем биосферы служат источниками существования других.

В биосфере не существует «ресурсов», используемых для «продукции» (в обыденном понимании этих слов), как и не существует отходов. Производство органического вещества и его разложение в биосфере сбалансированы с точностью порядка 10^–7. Отходы жизнедеятельности животных (продукты выделения, фекальные массы, трупы животных) перерабатываются другими животными, минерализуются микроорганизмами и возвращаются в биотический круговорот. То же происходит с отмершими растениями. Углекислота, образуемая гетеротрофными организмами в процессе дыхания, повторно используется растениями для воссоздания органического вещества с помощью солнечной энергии. Кислород, побочный продукт, образуемый растениями в ходе фотосинтеза, изначально был ядовит для живых организмов, но жизнь выработала механизм его обезвреживания. Этот механизм оказался очень эффективным способом трансформации энергии и теперь распространен почти повсеместно в биосфере. Нам он известен как дыхание.

Природное загрязнение окружающей среды включает в себя и катастрофы. Наиболее яркими примерами здесь могут служить извержения вулканов. При этом необходимо помнить, что вулканическая активность обеспечивает и возврат в круговорот биосферы химических элементов из мантии Земли. Можно упомянуть и космические катастрофы, например, гипотетический гигантский метеорит с которым связывают массовое вымирание динозавров.

Очень многие вещества, рассматриваемые нами в данном курсе как загрязнители, поступают в окружающую среду, как в результате техногенной активности, так и из природных источников. Биогенные вещества (главным образом соединения азота и фосфора) – важнейшие компоненты бытовых и сельскохозяйственных сточных вод и естественные продукты метаболизма животных.

Окислы серы и бенз(а)пирены попадают в атмосферу в ходе природных пожаров, многие металлы – благодаря вулканической активности, окись азота образуется при вспышках молний, нефть попадает в водоемы в районах естественных нефтепроявлений. Большое количество дисперсных веществ поступает в атмосферу естественным путем. Таковы продукты выветривания горных пород, частички почвы, морская соль.

Эруптивные газы вулканов (выделяющиеся при извержениях) содержат углекислый газ, сероводород, сернистый газ, соединения галогенов. Фумаральные газы (выделяемые в спокойном состоянии) – сернистый, углекислый, сероводород, метан. Естественные гейзеры и геотермальные источники поставляют в атмосферу окиси углерода и серы в количествах, сопоставимых с выбросами тепловых электростанций. Только один такой источник может поставлять в среду ежегодно 200 тыс. т хлора, 100–1000 т аммиака, фтора, серной кислоты, 1000–10000 т сероводорода (Сытник и др., 1987).

Антропогенное загрязнение отличается, пожалуй, в первую очередь, большей концентрацией загрязняющих веществ. Возникают необычные для биосферы сгущения обычно разреженных элементов, такие как свалки, отвалы, места захоронения отходов. Кроме того, современная цивилизация вынуждает биосферу к включению в биотические кругообороты экзотических веществ, таких как, например, алюминий, синтетические элементы, ксенобиотики. Большая часть загрязнителей рассеивается и разлагается, и их концентрация снижается до безопасного уровня.

Точечные и диффузные источники загрязнения. Точечные источники – четко локализованные. Неточечные – трудноопределимые. Загрязнители могут поступать в окружающую среду из точечных источников или диффузно.

Точечный источник – одиночное место, которое может быть идентифицировано как источник загрязнения. Примерами может служить сточная труба по отношению к водотоку или водоему, крупное предприятие, город и т.п. Мониторинг точечных источников загрязнения значительно легче осуществлять, чем диффузных.

Диффузные выбросы не имеют такой легко устанавливаемой привязки к определенному месту. Они поступают сразу на большой площади, как, например, в случае с кислотными дождями, выпадающими сразу на площади водосборного бассейна, биогенными элементами, образующимися из удобрений и просачивающимися из почвы на значительной длине реки.

Примером диффузного загрязнения может служить и поступление загрязняющих веществ с выхлопами автомобильных двигателей.

Виды загрязняющих веществ. Любое инородное вещество как вредное, так и нейтральное, не оказывающее вредного воздействия на окружающую среду, можно определить как примесь или чужеродное вещество, в англоязычной, а по ее примеру теперь и в отечественной литературе называемое контаминантом (contaminant, англ. – примесь, инородное вещество, постороннее вещество, грязь). Если вещества вызывают деградацию окружающей среды, они называются загрязнителями. Теперь и в русскоязычных публикациях загрязнители достаточно часто называют поллютантами (pollutant, англ. – загрязняющий агент, загрязняющая примесь, загрязнение, токсичная составляющая).

Однако, техногенные отходы, попадающие в природную среду, далеко не обязательно являются загрязнителями. Они могут служить пищей или субстратом для развития организмов, выигрывающих от их присутствия. Такие вещества становятся загрязнителями только в том случае, если их концентрации настолько велики, что они вызывают стресс у организмов или экосистем. Даже в этом случае некоторые специфические организмы могут выигрывать от присутствия этих отбросов.

Загрязнители воздействуют на природу несколькими путями. Некоторые из них токсичны, оказывая прямое действие на метаболизм водных организмов. Такие вещества называются токсикантами, или ядовитыми веществами. Практически нет загрязнителей токсичных для всех видов организмов (разве что высококонцентрированные вещества). Гораздо более обычно непрямое действие – неблагоприятное для организмов изменение физических или химических свойств среды.

Сильное загрязнение полностью уничтожает жизнь и, соответственно, экологические системы. Для большинства типов и концентраций токсикантов, тем не менее, такое экстремальное воздействие не характерно. В большинстве случаев токсиканты избирательно удаляют чувствительные виды, создавая более благоприятные условия для других видов за счет появления новых источников пищи, новых местообитаний, исчезновения конкурентов или хищников.

Таким образом, загрязнения вызывают экологические сдвиги. Это часто наблюдается в областях воздействия постоянных источников загрязнения. Среда в таких случаях постоянно изменена. Временные воздействия, как правило, не вызывают таких последствий.

Специфическую группу загрязнителей составляют мутагены – генетически активные вещества, вызывающие мутации (изменения) наследственной информации подвергающихся их действию организмов. В потомстве этих организмов могут проявляться мутантные – генетически измененные особи. Мутагенное действие, как правило, сопряжено с канцерогенным для многоклеточных растений и животных.

Канцерогены – вещества, стимулирующие рост злокачественных новообразований (раковых опухолей) у обработанных ими организмов. Иногда их называют онкогенами. Кроме того, ряд веществ способен нарушать нормальное развитие эмбрионов многоклеточных организмов, вызывая появление измененных дефектных особей. Их не следует путать с мутантными особями. Такие вещества называются тератогенами.

Норма и патология биосистем. Определить границы, при которых переходятся физиологические пределы, и оказывается воздействие на организмы чрезвычайно трудно, поскольку нет четких критериев различия между нормой и патологией. Норма – это образец, эталон, правило, а патология – это болезнь. В медицине, например, существуют две линии понимания нормы:

- статическая (гармония, сбалансированность, гомеостаз);

- функциональная (работоспособность, жизнеспособность, активность, продуктивность, оптимальность).

Количественно в биологической и медицинской статистике норма оценивается как среднее арифметическое по данному признаку для популяции плюс-минус две величины стандартного отклонения (σ). Отклонение большее, чем на 2–3 σ – нарушение, патология.

По Н. С. Строганову норма:

1) на молекулярном уровне – определенная последовательность и соотношение биохимических процессов, обеспечивающих функционирование органелл, клеток и органов в пределах, свойственных виду;

2) на клеточно-органном уровне – рост и дифференцировка, деление клеток, их функционирование, обеспечивающее функционирование органа, в который входят данные клетки;

3) на организменном уровне – рост и развитие, размножение, плодовитость и качество потомства, все то, что обеспечивает сохранность вида.

С точки зрения сохранения устойчивого состояния окружающей среды нас не могут не интересовать вопросы определения нормального и патологического состояния экосистем, функционирование которых и стабилизирует окружающую среду. На надорганизменном уровне Н. С. Строганов предлагал рассматривать норму с точки зрения оценки человеком. Л. П. Брагинский предлагал рассматривать норму с точки зрения демэкологии и синэкологии. Демэкологические критерии нормы – сохранение равновесия между рождаемостью и смертностью в популяции, между полами в соотношениях, присущих данному виду. Преобладание смертности и самцов – патология популяции. Для биоценоза нормой является сохранение устойчивой структуры биоценоза. Нарушение ее принимается за патологию.

Для выражения понятий нормы и патологии экосистемы Л. П. Брагинским было введено понятие буферности. Буферность – мера устойчивости экосистемы, выражаемая как способность экосистемы переработать определенное количество токсиканта без проявлений интоксикации ее отдельных компонентов и сдвига равновесия в экосистеме. Нормальная экосистема – это система, сохраняющая свойство буферности, т.е., обладающая определенным потенциалом детоксикации. Основным критерием сдвига равновесия в экосистеме является устойчивое достоверное снижение соотношения первичной продукции и деструкции. Чем дальше от единицы это соотношение, тем больше нарушена экосистема.

М. М. Камшилов рассматривал норму и патологию экосистем с позиций биотического круговорота, включающего в себя сеть выедания и сеть разложения. В норме хорошо развита первая, в патологии сеть разложения преобладает.

Биотесты, биотестирование. Оценка токсического, мутагенного, тератогенного действия веществ в настоящее время выполняется с помощью биотестирования – лабораторного исследования воздействия вещества на живые организмы. Здесь, в связи с труднообозримым разнообразием веществ, поступающих в окружающую среду, биологическое действие каждого из которых по возможности следует исследовать, мы сталкиваемся с необходимостью оперативного тестирования веществ. С одной стороны, следует выбирать такие показатели, которые дают быстрый ответ на воздействие токсиканта, с другой – чтобы результаты биотестирования могли давать прогностическую информацию, т.е., чтобы полученные результаты отражали реальные процессы, происходящие в окружающей среде.

Чрезвычайно важен выбор тест-объектов. Индикаторные организмы чутко реагируют на действие токсиканта. Представительные – близкие к той группе, которую мы хотим защищать, или характерны именно для тех экосистем, в которые поступает тестируемое вещество.

В водной токсикологии широко применяются дафнии – своеобразные «белые мыши» гидробиологии. Они имеют короткий жизненный цикл, удобны при культивировании, дают возможность оценивать выживаемость, плодовитость, качество потомства, развитие и рост молоди, сроки созревания, кроме того – дафнии широко распространены в водоемах по всему земному шару. Надо отметить, что количество тест-объектов и тест-функций уже сейчас чрезвычайно велико и продолжает расти. Только немногие слабые стороны биотестирования приведены в табл. 2.

Как пишет С. Э. Йоргенсен (Jørgensen, 1998) если учесть, что для предсказания поведения в окружающей среде каждого из генерируемых в техносфере 100 000 соединений мы должны знать, по крайней мере, 25 характеристик и, для прогноза его воздействия на биоту нужно изучить его взаимодействие пусть не с 5 000 000 видов, населяющих планету, а лишь с 25 000 «ключевых» видов, то мы получим количество необходимых исследований около 7,25·10¹⁰, что, естественно, совершенно нереально.

Таблица 2